(a) Visão de cima. (b) Visão de frente.
(c) Visão de lado com recorte. (d) Visão de lado sem recorte.
(e) Visão real.
Figura 3.1: Desenhos 3D do BUV Tobias.
Fonte: disponibilizados pelo ASPOF EN-MEC Dias de Paiva.
3.3
Organização do sistema robótico
Após definidas as especificações de capacidade e operação do veículo Tobias, foi necessário organizar todo o sistema robótico, dividindo-o em vários módulos: na- vegação, Reconhecimento (RECON), locomoção, potência, Limitação de Avarias (LA) e comunicações. Cada módulo pode ser constituído por um ou mais equipa- mentos/sistemas e foi projetado para satisfazer os requisitos predeterminados. Esta
organização encontra-se esquematizada na figura3.2.
Figura 3.2: Divisão do sistema em módulos (hardware).
Os diversos módulos podem ser descritos da seguinte forma:
O módulo de Micro PC consiste numa unidade computacional capaz de proces-
sar os dados que provêm dos mais diversos sensores, de receber e transmitir informação, e tendo em conta a missão a executar, atuar sobre os atuadores. Basicamente é o centro nevrálgico do sistema e onde são tomadas as decisões de alto nível.
O módulo de comunicações A profundidade de operação do protótipo trará um
desafio para as comunicações. As ondas eletromagnéticas a partir dos 5m abaixo da linha de superfície deixam de ser eficazes (Jiang & Georgakopoulos,
2011). Desta forma, torna-se necessário a utilização de ondas acústicas para estabelecer a comunicação subaquática entre a ground station ou com outros veículos, o que é conseguido através da integração de um modem acústico no BUV.
3.3. Organização do sistema robótico
testes, controlo remoto e envio de comandos de forma mais expedita deverá ser utilizado um modem WiFi.
Em suma, o módulo de comunicações deverá possuir três tipos de equipamen- tos para transmitir e receber informações com objetivos diferentes: GSM - mensagens de emergência e rotina quando afastado da estação em terra cerca de 300m, WiFi - telemetria e modem acústico - comunicação com a estação em terra, quando se encontrar debaixo de água, e com outros veículos.
O módulo de navegação deverá ser constituído por diversos sensores para que o
BUV possa ser autónomo e tenha a capacidade de estimar o seu estado medi- ante os dados que recebe dos sensores, ou seja, para fornecer uma estimativa o mais precisa possível da localização, orientação e velocidade do veículo. Existem três tipos de sensores inerciais diferentes atualmente no mercado:
• A Inertial Measurement Unit (IMU) é um sistema que faz a medição de aceleração linear e velocidade angular, e é geralmente composto por um giroscópio com três graus de liberdade, um acelerómetro com três graus de liberdade e um magnetómetro com com três graus de liberdade, originado nove graus de liberdade. A IMU, por si só, não fornece nenhum tipo de solução de navegação (posição, velocidade e atitude), apenas atua como um sensor.
• O Attitude and Heading Reference System (AHRS) é um sistema que incorpora uma IMU combinada com um processador integrado que cria um sistema de três eixos capaz de medir os ângulos da proa (yaw), pitch e roll de um objeto em movimento no espaço 3D. Este sistema pode ainda integrar um filtro Kalman25 para calcular a solução de orientação das leituras das medidas. A principal diferença para a IMU, é que a AHRS já realiza o processamento no chip que permite obter a pose do veículo (só com a IMU este processamento teria de ser feito externamente). • O Inertial Navigation System (INS) é constituído por uma IMU, por
forma a criar um sistema de navegação independente que usa medições fornecidas pela IMU para rastrear a posição, velocidade e orientação de um objeto em relação a um ponto de partida. Pode utilizar um sensor
25Método matemático criado por Rudolf Kalman que utiliza medições de grandezas realizadas
ao longo do tempo (contaminadas com ruído e outras incertezas) para gerar resultados que tendam a aproximar-se dos valores reais das grandezas medidas e dos valores associados (R. G. Brown & Hwang,2012).
Global Navigation Satellite System (GNSS)26 para estabilizar o desvio do giroscópio e fornecer uma estimativa mais precisa do vetor de aceleração inercial, isto é, uma versão melhorada do AHRS.
Na sua constituição deverá conter quatro sensores: um sensor de pressão para receber a variável da pressão a que o veículo se encontra, que através do pro- cessamento dessa informação dará o valor da profundidade; um sensor inercial que tanto poderá ser uma IMU, um AHRS ou um INS que será utilizado para fazer a estima da posição e orientação quando o veículo não estiver à superfície, isto é, quando, por motivos de cobertura do sinal, não consegue estabelecer contacto com os satélites de GNSS; um sistema de GNSS para determinar a sua posição correta quando à superfície utilizando satélites; e uma eco-sonda que servirá para avaliar o panorama de contactos ao redor do veículo, isto é, servirá para detetar contactos submarinos, utilizando ondas acústicas e por conseguinte servirá para o veículo poder desviar-se de obstáculos que se en- contrem na sua rota.
O módulo de LA surge da necessidade do veículo possuir capacidade para dete-
tar se existe algum perigo interno, quer seja causado pela entrada de água quer pela elevada temperatura interna, para evitar avarias ou mesmo danos irreversíveis.
Como o protótipo, na grande parte da sua utilização, estará submerso no ambiente aquático, poderá correr o risco de danificar os seus circuitos elétricos pela entrada de água, que poderá ser provocada por embates em certos objetos, má vedação do casco e dos elementos exteriores ao mesmo ou por contacto com outros seres vivos, como aconteceu com um AUV REMUS SharkCam em 2013 no México, figura 3.3. Desta forma, o robô deverá ser equipado com um sistema de deteção de entrada de água.
26O GNSS, ou sistema de navegação global por satélite, pode ser definido como um sistema
capaz de proporcionar o posicionamento a nível global usando uma constelação de satélites. O Norte Americano GPS, o Russo GLONASS e o Europeu Galileo são alguns exemplos (Vallejo,
3.3. Organização do sistema robótico
Figura 3.3: Ataque de um tubarão branco a um AUV REMUS
SharkCam. Fonte: obtido do website WHOI - Robotic Vehicles Offer a New Tool in Study of Shark Behavior27.
Com o processamento interno de informação, pela dissipação de energia em forma de calor da distribuição de energia por todos os componentes elétricos do veículo do BUV e a possível existência de um curto circuito poderá levar a um aumento de temperatura interna, que poderá levar falhas no processa- mento e na transmissão de informação, bem como, a danos irreparáveis nos módulos. Desta forma o veículo deverá ter algum sensor capaz de monitorizar constantemente a temperatura interna.
O módulo de RECON deverá conter sensores e equipamentos eletrónicos com
a capacidade de análise e obtenção de dados para a compilação do cenário situacional da missão.
Todos os navios da Marinha que executam missões de ASW e MCM, como é o caso dos submarinos e das fragatas da classe Vasco da Gama, são equipados com um Sound Navigation and Ranging (SONAR). Este equipamento fornece aos navios a capacidade de deteção e seguimento de sinais acústicos a profun- didades elevadas gerados por outros navios (se for passivo) ou gerados pelo próprio SONAR do navio (se for ativo).
A câmara é um dos equipamentos, geralmente, adicionados a qualquer AUV para permitir ao operador a visualização em imagem real do trajeto percorrido pelo veículo, onde se encontram gravados todos os contactos visuais.
O módulo de locomoção é constituído por três subgrupos: o submódulo dos ser-
vos das barbatanas laterais, constituído por dois servos, um em cada borda, 27Website WHOI - Robotic Vehicles Offer a New Tool in Study of Shark Behavior: https:
que são fundamentais para controlar o ângulo de pitch (mergulhar e emergir à superfície) e também podem servir para ajudar na propulsão, travagem e guinadas do veículo. Para além disso, mesmo que o ângulo de roll seja auto- maticamente e mecanicamente estabilizado, podem também ser usadas para o controlar durante as manobras do veículo; o submódulo dos servos da cauda, constituído por dois servos, conferindo dois graus de liberdade ao veículo para se poder deslocar com movimento idêntico ao dos peixes; e o submódulo BCU, que controlará a flutuabilidade do veículo permitindo que este possa emergir e imergir com mais facilidade.
O módulo de potência é responsável pelo fornecimento de energia a todo o sis-
tema, pelo que, deverá ser constituído por um conjunto de baterias, um sistema de monitorização de tensão e capacidade das baterias, um sistema de distribui- ção de energia, e um sistema de monitorização de corrente das ligações críticas da instalação elétrica.
Na primeira versão deste protótipo optou-se, por razões do custo associado, em prescindir quer do sonar como payload quer do modem acústico como canal de comunicação. Apesar de comunicações debaixo de água serem essenciais para a cooperação de um swarm, este aspeto será deixado para uma versão posterior do protótipo, mesmo que no capítulo seguinte se faça uma proposta de equipamento deste tipo (sonar e modem acústico) para este veículo.
Capítulo 4
Projeto de hardware
Neste capítulo é descrito o projeto de hardware, onde são selecionados os componentes eletrónicos de cada módulo descritos no capítulo anterior e evidenci- ados na figura 3.2. Para isso foram analisados e comparados diversos sensores e modems dentro de cada tipo de equipamento. Foram consultadas várias empresas e foram pedidos vários orçamentos. Foi também realizado um levantamento energético do conjunto desses equipamentos para ser possível a seleção das baterias.
O capitulo começa com a escolha do hardware, seguido do levantamento das conexão do hardware selecionado ao Micro PC e acaba com um resumo em forma de tabela com todos os equipamentos adquiridos.
4.1
Micro PC
Existem muitas alternativas populares de micro PCs, como por exemplo, as placas PC/104 que podem correr Linux ou mesmo Windows (PC/104 Consor- tium, 2020), o LattePanda que corre apenas Windows e tem uma interface para o Arduíno (LattePanda,2020) e o Raspberry Pi que corre Linux (RaspberryPi, 2020). Recentemente, a NVIDIA desenvolveu uma placa de baixo custo, a Jetson Nano, com alto desempenho computacional voltada para o desenvolvimento de aplicações de alta performance e procura servir de base para projetos nas áreas de robótica, visão computacional, assistentes domésticos, drones e veículos autónomos (NVIDIA,
2019b). Tem a capacidade para executar várias redes neuronais em paralelo para aplicações como classificação de imagens, deteção de objetos, segmentação e pro- cessamento de fala. Como se pretende construir veículos de baixo custo a visão computacional é uma excelente opção, pois uma câmara aliada a um bom processa- mento de imagem podem ser a alternativa a sensores mais dedicados e muito mais caros, como por exemplo os SideScan sonares. Nesse contexto existe todo o interesse em utilizar uma placa que tenha boas capacidades computacionais no domínio do
processamento de imagem, onde a Jetson Nano tem uma grande vantagem sobre os concorrentes que apresenta.
As diferentes especificações técnicas de cada equipamento podem ser con- sultadas na tabela 4.1.
Tabela 4.1: Especificações dos mini PCs mais populares para pro- jetos de AUVs.
Jetson Nano PC/104 Plus Raspberry Pi
4 Latte Panda GPU 128-cores NVIDIA Maxwell Intel HD Graphics Gen 7 Engine Broadcom BCM2711 Intel HD Graphics
CPU Quad-core ARM A57 1.43 GHz Intel Celeron 1.58 GHz Quad core Cortex-A72 1.5GHz Intel Cherry Trail Z8350 Quad Core 1.8GHz Memória 4 GB 64-bit 4 GB 64-bit 4 GB 64-bit 4 GB 64-bit
Peso [g] 136 120 65 100 Dimensões (C x L) [mm] 69 x 45 90 x 96 85 x 56 88 x 70 Temperatura de operação [žC] 0 a +50 -20 a +60 0 a +50 -10 a +50 Tensão de alimentação [V ] 5 5 5 5 Corrente máxima [A] 2.5 1.7 3 2
Conexões 40-Pin GPIO, Socket M.2 Key
ISA & PCI
support 40 pin GPIOs
26 pin GPIOs e 6 fichas Portas 4 USB 3.0, 1 USB 2.0 Micro-B 3 USB 2.0, 2 RS-232/485 2 USB 3.0 e 2 USB 2.0 1 USB 3.0 e 2 USB 2.0 Performance
AI 472 GFLOPS 326 GFLOPS 8 GFLOPS 2.72 GFLOPS Preço [e] 88,61 (SparkFun) 273,60 (Mouser Eletronics) 59,99 (Robert Mauser Lda) 187.07 (DFRobot)
O micro PC escolhido foi a Jetson Nano com um cartão de memória flash mi- croSD de 64GB no qual foi instalado o Ubuntu 18.4 como Sistema Operativo (SO),